通过液相分离石墨法获得较多产量的石墨烯开题报告

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1. 研究目的与意义

1. 研究背景及意义

碳材料是一种地球上较为普遍而又特殊的材料，它既可以形成硬度较大的金刚石，也可以形成较软的石墨。近20年来，碳纳米材料一直是科技创新的前沿领域^[1]，1985年发现的富勒烯^[2]和1991年发现的碳纳米管（cnts）^[3]均引起了巨大的反响，兴起了研究热潮。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，manchester大学的geim小组^[4]首次用机械剥离法获得了单层或薄层的新型二维原子晶体石墨烯。这一发现，充实了碳材料这一家族零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯以及三位的金刚石和石墨。石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，其理论厚度仅有0.35nm，是目前所发现的最薄的而为材料^[4]。近期，对石墨烯展开了大量的研究，并且确定了石墨烯这一种材料是新一代的电子工业的建造砖的有前景的候选者之一^[5-13]。石墨烯的特殊结构蕴含了许多丰富而新奇的物理现象，有着许多优异的性质^[14-17]，石墨烯不仅有优异的电学性能(室温下电子迁移率可达210⁵cm²/(vs)) ^[18,19]，突出的导热性能(5000w/(mk))^[20,21]，超常规的比表面积(2630m²/g)^[22]，其杨氏模量(1100gpa)和断裂强度(125gpa)^[23,24]也可以和碳纳米管相抗衡，此外还有一些其他奇特的性能，如：室温量子霍尔效应^[8]、玻恩-奥本海默近似的不成立^[9]。石墨烯单层在液晶设备中可以充当透明导电电极^[10]石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等，都需要良好的透明电导电极材料。特别是，石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良。由于氧化铟锡脆度较高，比较容易损毁。在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域^[25,26]。通过化学气相沉积法，可以制成大面积、连续的、透明、高电导率的少层石墨烯薄膜，主要用于光伏器件的阳极，并得到高达1.71%能量转换效率；与用氧化铟锡材料制成的元件相比，大约为其能量转换效率的55.2%^[27]。石并且墨烯独特的二维结构使它在传感器领域具有光明的应用前景。巨大的表面积使它对周围的环境非常敏感。即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。这检测目前可以分为直接检测和间接检测。通过穿透式电子显微镜可以直接观测到单原子的吸附和释放过程^[28]。通过测量霍尔效应方法可以间接检测单原子的吸附和释放过程。当一个气体分子被吸附于石墨烯表面时，吸附位置会发生电阻的局域变化。此外，研究表明，石墨烯过滤器可能大幅度的胜过其他的海水淡化技术^[29]。这对全人类都有重大意义。

石墨烯有如此多的奇特的现象，有如此多的应用前景，但是正如早期的纳米管以及纳米线的研究，石墨烯也存在着和这些新材料一样的问题，就是目前尚缺能够大量制备这些材料的方法。目前，石墨烯的制备大多都是通过以石墨为原料而进行制备的，比较成熟的方法是液相分离法来进行制备，比如利用n-甲基吡咯烷酮（nmp）、γ-丁内酯（gbl）、等溶剂进行剥离石墨烯的方法来分离出石墨烯。

2. 国内外研究现状分析

1. 国内外研究现状

2.1石墨烯的基本性质

par toens等研究发现，当石墨层的层数少于10层时，就会表现出较普通三维石墨不同的电子结构。我们将10层以下的石墨材料( graphene和few2 layer gr aphenes) 统称为石墨烯材料。石墨烯分解可以变成零维的富勒烯，卷曲可以形成一维的碳纳米管，叠加可以形成三维的石墨。石墨烯材料的理论比表面积高达2600m² / g，具有突出的导热性能(3000w/(mk))和力学性能(1060gpa)，以及室温下高速的电子迁移率(15000cm² /(vs))。石墨烯特殊的结构，使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应、从不消失的电导率等一系列性质，引起了科学界巨大兴趣，石墨烯正掀起一股研究的热潮^[44]。

3. 研究的基本内容与计划

1. 研究内容及目标

3.1研究内容

我们发现，乙醇可以作为分离石墨烯合适的液体介质。我们将通过乙醇加水为介质，液相分离石墨烯的方法分离出石墨烯，探索不同溶剂配比下（不同表面能），对石墨烯分离的影响、以及超声波处理时间、离心分离转速、离心分离时间对石墨烯分离的影响。此外，我们还需要观察经过之前的石墨烯分离过程，我们能否得到单层或多层的石墨烯分散液，如果可以，我们将测定其层数的分布情况、分散液的浓度以及稳定性。

4. 研究创新点

研究乙醇溶液作为分散剂，不同溶液浓度（表面能不同）以及超声波处理时间、离心分离转速以及其时间对分离效果的影响。测定各种条件下石墨烯层数的分布、分散液浓度以及观察分散系稳定性。